承载着未来高性能发动机希望的天之骄子——陶瓷基复合材料
大发科普系列的上一期，美女芝梅姐姐介绍了危急关头大发的自救绝招——熔断机制，这一期我们来聊聊正常工作时，大发节能减排的一大法宝——陶瓷基复合材料。
我们的大发科普系列第一期中就说了涡扇发动机吃得少（油耗低）干得多（推力大）。人心哇就是不知足，总希望我吃的更少，干的更多╭(╯^╰)╮
为达目的，我也是下了狠招，就把入口气流不断地压啊压，压力瞬间增大为50倍（比如LEAP发动机），把他们压的可火了，温度嗖嗖的往上升（要的就是这效果，你再升啊~），就这我还不满足，再给他来把火，这下他们可真是暴跳如雷呀，高温高压，能量大大的，受不了了，就推开涡轮不断降温降压增加速度的往外跑。
我原本是希望你火起来温度越高越好，殊不知你太火的时候也会duang的一下把我烧伤。没办法我只能通过引入冷气来降温，很无赖的增加结构复杂度并降低效率（真心不想这样做呀！！）。
所以我真心希望人们在要求我高效的同时能给我更好的材料来抵御烈火。
俄罗斯的苏27的AL-31发动机的涡轮前温度是1392℃，而美帝的王牌F-22的F-119发动机将这个指标提高到了1705℃；AL-31的涡轮前温度已达到高温合金的熔点，而F-119的已远超高温合金熔点。这些个温度是什么概念呢，大家可以对比一下下边几个常见金属的熔点，铝合金660℃，钢1500℃，钛合金1678℃。要在这样高的温度下正常工作，F-119的涡轮采用了第三代单晶（镍基高温合金，至于什么是单晶各位看官可以往前翻翻，看看我们上月12号的那期发文“只想和Ni在一起”）空心叶片。
· 美国骄傲F119——F22标配动力（图片来自网络）
目前的单晶叶片材料一般为镍基单晶，其密度约为8.8g/cm3，熔点约1370℃，使用温度可高达1070℃。对于高效航空发动机，燃烧室出口的高压涡轮材料的耐温越高越好，材料密度越低越好。
按这个要求我首先想到陶瓷材料，硬硬的，还可以放火上煮东西吃 ^_^结果却被攻城狮哥哥姐姐告知陶瓷太脆，不能用于航发结构件(╯▽╰)，看来手头有高韧性耐高温陶瓷材料的亲们有钱图了^_^
肿么办呢？不急，待我分析一下，耐高温的陶瓷材料强度高、脆性大，对裂纹引起的应力集中很敏感（想象玻璃刀划玻璃），要想避免材料中裂纹太难了，那么能不能减小应力集中呢？考虑到，很多材料高温下塑性好（韧性好），强度低。贪心的小编就想着创造一种在超高温下具有高强度高韧性的材料，最好密度还很小。很自然的就想到了把前面两者混合起来（陶瓷基复合材料），强硬的陶瓷大哥（基体和加强纤维）搭配上软妹子（界面，就是基体和增强纤维之间的那一点点材料，可以理解为基体和纤维的分界面）、陶瓷哥承担外边的体力活（承受外载），软妹子专心做着家务事（偏转基体和纤维的裂纹，以阻止其向附近的纤维和基体扩展）。
按照这个思路制造材料，进行高温力学性能测试。哇塞！性能好好耶！比预期的还要好哦！果真是男女搭配干活不累。我不会告诉你这其实攻城狮哥哥姐姐们想出的方案。
· 陶瓷基复合材料（图片来自网络，主要看气质）
陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）在保持传统陶瓷材料耐温高、密度低等优良性能的同时，克服了其脆性大的致命弱点，具有类金属断裂韧性，形象的说就是不容易摔碎。能够满足高性能航空发动机对热端部件用材的高温强度、抗腐蚀性及抗氧化性等苛刻要求，有望取代高温合金在航空发动机上应用（麻麻再也不用担心我被烧坏了），提升工作温度的同时，实现大幅减重，而且节约冷气甚至省去冷却系统，有利于提高发动机效率（省油），并减少CO、NOx等污染物的排放（尼玛，真是节能减排的好东东）。
常见的陶瓷基复合材料有：碳纤维增强碳化硅（Cf/SiC）陶瓷基复合材料、碳纤维增强碳（Cf/C）陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增强碳化硅（SiCf/SiC）陶瓷基复合材料等，前两者对比后者有以下优缺点。
优点：碳纤维价格便宜；直径小、刚度小，易于编织；如果能够隔离氧化物，Cf/C复合材料比SiCf/SiC复合材料耐温更高。
缺点：碳纤维在高温环境中易氧化（想想家里烧的木炭、煤炭，城里的有钱人请绕过~~），导致性能下降甚至失效；制造中很难消除纤维中的氧以及确保保护涂层（隔离外界的氧）完全覆盖且不破损。
因此，在高温环境中长时间重复使用部件中一般采用SiCf/SiC复合材料。
陶瓷基复合材料首先在航天方面得到了应用。在航天飞机再次进入大气层时，舱体与空气摩擦产生1400℃左右的高温，陶瓷基复合材料做成的隔热瓦能够很好的解决航天飞机机身耐热问题。
· 航天飞机再入大气层（图片来自网络）
相信大家还在为国产大飞机C919的总装下线感到鸡冻，各位亲们可知道C919用的LEAP发动机可是使用了好多陶瓷基复合材料。
LEAP系列航空发动机由GE与SNECMA合资的CFM国际公司所研制，三个子型号LEAP-1A、LEAP-1B和LEAP-1C分别配装空客A320neo、波音737MAX和中国商飞C919等大飞机，订单总数已达9660台，该发动机是商业航空史上订单增长速度最快的发动机（羡慕嫉妒恨！！）。
LEAP应用的CMC高压涡轮罩环，单元重约1Kg，仅相当于镍基合金的1/3，整环减重达数百磅，通过改善高压涡轮效率，提升推力10%；此外还应用了经过验证的CMC低压涡轮导向叶片，重量仅为传统合金材料的1/2以下，耐温1200℃以上，且无需冷却，便于成形加工。
借助CMC在内的复合材料应用，LEAP系列发动机可在CFM56发动机的基础上减少油耗16%、降低氮氧化物排放40%。
· 陶瓷基复合材料涡轮导向叶片（图片来自网络）
说到这，大家有木有觉得LEAP发动机屌屌的，小编这下和各位看官讲讲背后的故事。CMC研究历史并不漫长，GE公司1986年申请第一个CMC材料专利，可以说GE对CMC是一见钟情，真是下了血本，自上世纪90年代早期开始，GE在CMC研发上的投入已经超过10亿美元。
除了在LEAP系列发动机上的应用CMC，GE还计划在装备波音777X飞机的GE9X发动机上大量使用CMC，具体部件有高压涡轮1级和2级喷嘴（静叶）、燃烧室内外衬套、一级导流罩、第二级高压涡轮转子叶片等，其中涡轮转子叶片之前已经在F414军用发动机上进行了大量实验。通用电气估计，GE9X发动机采用陶瓷基复合材料涡轮转子叶片将降低总重约455公斤。将近半吨呀，小伙伴们简直惊呆了！！有木有~
说了这么多都忘了给亲们上CMC实物图啦，估计大伙儿也是急坏了。莫急，这就上来。
· 图片来自文献报告
采用CMC的涡轮外环，结合耐高温和抗氧化的涂层，可以承受涡轮前温度1650℃。
· 图片来自文献报告
采用CMC的涡轮出口导向叶片见图，通过了1000次循环热冲击（300~1200℃）的试验考核（好屌啊）。
“十一五”、“十二五”期间，西工大率先进行了CMC涡轮导向叶片的制备工艺探索，积累了经验，制备出自愈合CMC涡轮导向叶片模拟构件
鉴于陶瓷基复合材料的这些优异性能，我们的攻城狮们也在摩拳擦掌，具体情况就不在这里细说啦。
总的来说，目前国内CMC研究基础较弱，相比于美日，不仅原材料SiC纤维性能落后，产量低，而且复合成型工艺也远远落后。国内仅在一些风险系数较小的高温部件（如喷管调节片）或者一次性部件（运载火箭）上有过尝试性应用CMC。对于涡轮叶片这类要求长寿命的关键性部件，CMC还远未达到应用水平（臣妾做不到啊~~~）。
高温陶瓷基复合材料这类高精尖科技，国际上已对我国实行了严格的技术封锁（坏蛋，恨你，今天你对我爱答不理，明天我让你高攀不起→_→），路漫漫其修远兮，未来的路需要同志们的智慧与汗水。
*本文部分数据来自于网络相关资讯，供参考。
· 作者：伍海辉